三維測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1、三維測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢三維測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢引引 入入如何獲取這些如何獲取這些物體的三維信物體的三維信息呢？息呢？這就涉及到三這就涉及到三維測量技術(shù)。維測量技術(shù)。隨著科技的反隨著科技的反展，各種技術(shù)展，各種技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并不斷涌現(xiàn)，并且在很多的領(lǐng)且在很多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。域得到應(yīng)用。三維測量技術(shù)的分類三維測量技術(shù)的分類接觸式測量接觸式測量非接觸式測量非接觸式測量坐標測量機坐標測量機光學(xué)方法光學(xué)方法非光學(xué)方法非光學(xué)方法主動式主動式被動式被動式激光掃描法激光掃描法激光測距法激光測距法相位測量法相位測量法數(shù)字全息法數(shù)字全息法單目視覺法單目視覺法CT、STM、AFM雙目視覺法雙目視覺法應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)

2、用領(lǐng)域w 計算機輔助設(shè)計與制造（計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM)CAD/CAM)（如服裝設(shè)計、工業(yè)檢測等）如服裝設(shè)計、工業(yè)檢測等）w 逆向工程（逆向工程（RERE）w 快速原型（快速原型（RPRP）及虛擬現(xiàn)實（及虛擬現(xiàn)實（VRVR）( (如如自動導(dǎo)航，計算三維動畫模擬等）自動導(dǎo)航，計算三維動畫模擬等）w 醫(yī)學(xué)（醫(yī)學(xué)（ CTCT、MRIMRI等）等）坐標測量機（坐標測量機（CMM）坐標測量機是一種幾何量測量儀坐標測量機是一種幾何量測量儀器，它的基本原理是將被測零件器，它的基本原理是將被測零件放入它允許的測量空間，精密地放入它允許的測量空間，精密地測出被測元素上測量點的測出被測元素上測量點的

3、X X、Y Y、Z Z三個坐標值，根據(jù)這些點的數(shù)三個坐標值，根據(jù)這些點的數(shù)值經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合成值經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合成相關(guān)幾何元素，如圓、球、圓柱、相關(guān)幾何元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算得圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算得出形狀、位置公差及其它幾何量出形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。它以精密機械為基礎(chǔ)，綜它以精密機械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、合應(yīng)用了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等先進技術(shù)。光學(xué)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等先進技術(shù)。坐標測量機（坐標測量機（CMM）坐標測量機（坐標測量機（CMM）w 德國德國Klocke公司的公司的3D-Nanofing

4、er是一款集納米是一款集納米級三維坐標測量與表面形級三維坐標測量與表面形貌測量為一體的綜合測量貌測量為一體的綜合測量設(shè)備設(shè)備w 1測量范圍：（可選）測量范圍：（可選） X=10,20,30或或50mm； Y=10,20,30或或50 mm Z=10或或20 mm 2移動分辨率：移動分辨率：1nm 3移動速度：最快達到移動速度：最快達到2 mm/s.探針分辨率：探針分辨率：0.5nm激光掃描法激光掃描法近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展，近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光三角形法（激光三角形法（Laser-Laser-based triangulationbased triangulation）逐逐漸得到廣泛

5、應(yīng)用。它所采漸得到廣泛應(yīng)用。它所采用的光源主要有點結(jié)構(gòu)、線用的光源主要有點結(jié)構(gòu)、線結(jié)構(gòu)和雙線結(jié)構(gòu)。它的基本結(jié)構(gòu)和雙線結(jié)構(gòu)。它的基本原理是光學(xué)三角形原理。原理是光學(xué)三角形原理。激光三維掃描儀激光三維掃描儀其工作原理是使用激光三角其工作原理是使用激光三角測距原理，通過光源孔發(fā)射測距原理，通過光源孔發(fā)射出一束水平的激光束來掃描出一束水平的激光束來掃描物體。該激光線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平物體。該激光線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平面鏡的作用，改變角度，使面鏡的作用，改變角度，使得激光線發(fā)射到物體表面。得激光線發(fā)射到物體表面。物體表面反射激光束，每一物體表面反射激光束，每一條激光線都通過條激光線都通過CCD傳感器傳感器采集成一幀數(shù)據(jù)。

6、根據(jù)物體采集成一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)物體表面不同的形狀，每條激光表面不同的形狀，每條激光線反射回來的信息中所包含線反射回來的信息中所包含表面形狀和顏色數(shù)據(jù)。表面形狀和顏色數(shù)據(jù)。激光三維掃描儀激光三維掃描儀主要用途：工業(yè)設(shè)計中采集轉(zhuǎn)換研究設(shè)計之物件的主要用途：工業(yè)設(shè)計中采集轉(zhuǎn)換研究設(shè)計之物件的CAD逆向工程：為原始部件實體，建立三維逆向工程：為原始部件實體，建立三維CAD數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)；用于計算機輔助工程設(shè)計分析的三維形狀捕捉獲取用于計算機輔助工程設(shè)計分析的三維形狀捕捉獲?。–AE和和FEA）；）；醫(yī)療應(yīng)用：醫(yī)學(xué)外科規(guī)劃（上頷面，牙齒等整形外科）醫(yī)療應(yīng)用：醫(yī)學(xué)外科規(guī)劃（上頷面，牙齒等整形外科）矯正和修補術(shù)，

7、塑料外科術(shù)運用，醫(yī)學(xué)人體測量；矯正和修補術(shù)，塑料外科術(shù)運用，醫(yī)學(xué)人體測量；數(shù)字化檔案：博物館，人工制品和古文物記錄考古學(xué)，數(shù)字化檔案：博物館，人工制品和古文物記錄考古學(xué)，人類學(xué)研究；人類學(xué)研究；在線質(zhì)量控制檢查，用于生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量控制（例在線質(zhì)量控制檢查，用于生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量控制（例如如CAI，CAT）；）；樣品檢查；工具和模具檢查。樣品檢查；工具和模具檢查。激光測距法激光測距法基本原理是直接測基本原理是直接測量光束的傳播時間。量光束的傳播時間。在測量時，目標脈在測量時，目標脈沖經(jīng)反射回到接收沖經(jīng)反射回到接收探測器，參考脈沖探測器，參考脈沖經(jīng)光導(dǎo)纖維被探測經(jīng)光導(dǎo)纖維被探測器接收。這兩個脈

8、器接收。這兩個脈沖的時間差轉(zhuǎn)換成沖的時間差轉(zhuǎn)換成距離。距離。也稱時間飛行法也稱時間飛行法自動掃描激光測距儀自動掃描激光測距儀主要技術(shù)指標：主要技術(shù)指標：1、激光器：波長、激光器：波長620nm690nm 出射功率：出射功率：1mW2、工作距離：工作距離：050m3、自動掃描范圍：自動掃描范圍：6904、測距精度：、測距精度：5mm相位測量法（相位測量法（PMP）相位測量法（相位測量法（PMP）),(),(yxIFvV 相位測量法（相位測量法（PMP）相位測量法（相位測量法（PMP）相移干涉測量術(shù)tInterferogramsNiiiiNiiiiIIa00cossintan相移干涉測量術(shù)相移干涉

9、測量術(shù)數(shù)字全息法數(shù)字全息法基本過程為：采用激光基本過程為：采用激光照射待測樣品產(chǎn)生全息照射待測樣品產(chǎn)生全息圖，利用圖，利用CCD記錄全息記錄全息圖并以數(shù)字方式存入計圖并以數(shù)字方式存入計算機，然后在計算機內(nèi)算機，然后在計算機內(nèi)模擬全息圖的再現(xiàn)過程模擬全息圖的再現(xiàn)過程得到以層析方式顯示的得到以層析方式顯示的三維物場，進而對三維三維物場，進而對三維物場進行定量分析、測物場進行定量分析、測量和三維重構(gòu)。量和三維重構(gòu)。數(shù)字全息法數(shù)字全息法CCDPZTBS1BS2BS3ObjectM1M2M3LPCLaser數(shù)字全息法數(shù)字全息法 昆蟲翅膀的再現(xiàn)像昆蟲翅膀的再現(xiàn)像記錄的數(shù)字全息圖記錄的數(shù)字全息圖單目視覺法單

10、目視覺法單目視覺法采單目視覺法采用攝像機得到用攝像機得到三維景物在光三維景物在光敏探測器上的敏探測器上的二維透視圖像，二維透視圖像，主要包括聚焦主要包括聚焦法和離焦法。法和離焦法。離焦法原理圖離焦法原理圖雙目視覺法雙目視覺法立體視覺的研立體視覺的研究主要由以下究主要由以下三部分組成：三部分組成：* 攝像機模型攝像機模型的建立和標定的建立和標定 * 立體匹配立體匹配 * 三維重建三維重建 雙目視覺法雙目視覺法Pp1O1C1p2C2O2ZXYOu2v2u1v1基本原理如圖所示，基本原理如圖所示，P為為空間任意一點，空間任意一點，p1、p2分分別為別為P點在攝像機點在攝像機C1、C2上的成像點，通過

11、立體視上的成像點，通過立體視覺計算即可由像點覺計算即可由像點p1、p2的坐標的坐標(ui,vi)(i=1,2)重建點重建點P的三維坐標的三維坐標(X,Y,Z)。在在這個重建的過程中，要解這個重建的過程中，要解決圖像特征點的提取與匹決圖像特征點的提取與匹配、攝像機標定和三維重配、攝像機標定和三維重建三個基本問題。建三個基本問題。 w 1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛賓尼（GBinning）和海羅雷爾（HRohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunnelling MicroscoPe，簡稱STM）STM使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面

12、電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一為表彰STM的發(fā)明者們對科學(xué)研究所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM)掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM)掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM) 掃描隧道顯微掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，中的隧道效應(yīng)原理，通過探測固體表面通過探測固體表面原子中電子的隧道原子中電子的隧道電流來分辨固體表電流來分辨固體表 面形貌的新型顯微面形貌的新型顯微裝置。裝

13、置。掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM)根據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道根據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以表面邊界處突變?yōu)榱恪Ｔ诮饘俦砻嬉酝?，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長外，電子云密度呈指數(shù)衰減，衰減長度約為度約為1nm。用一個極細的、只有原用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)被研究物質(zhì)(稱為樣品稱為樣品)的表面作為兩的表面作為兩個電極，當樣品表面與針尖非?？拷鼈€電極，當樣品表

14、面與針尖非常靠近(距離距離1nm)時，兩者的時，兩者的電子云略有重疊，如圖所示。若在兩極間加上電壓電子云略有重疊，如圖所示。若在兩極間加上電壓U，在電在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流 I 。掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM)兩種工作方式兩種工作方式 掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM)高序熱解石墨的結(jié)構(gòu)圖像掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM)掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM)這是中國科這是中國科學(xué)院化學(xué)所學(xué)院

15、化學(xué)所的科技人員的科技人員利用納米加利用納米加工技術(shù)在石工技術(shù)在石墨表面通過墨表面通過搬遷碳原子搬遷碳原子而繪制出的而繪制出的世界上最小世界上最小的中國地圖的中國地圖 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）AFM 的基本結(jié)構(gòu)與 STM 相似, 差別在于差別在于并非利用電子隧道效并非利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力（間的范德華力（Van Van Der Waals ForceDer Waals Force）作作用來呈現(xiàn)樣品的表面用來呈現(xiàn)樣品的表面特性。特性。原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測物之間在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是

16、利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面之物理特性。所以在原交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：模式： （1 1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（子力顯微鏡（contact AFMcontact AFM），），探針與試片的距離約數(shù)個探針與試片的距離約數(shù)個 。 （2 2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（式原子力顯微鏡（non-contact AFMnon-contact AFM），），探針與試片的距離探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百約數(shù)十到數(shù)百 。 小小 結(jié)結(jié)系統(tǒng)地介紹了物體三維信息測量的各種技術(shù)及其系統(tǒng)地介